高温超导材料 ppt课件
合集下载
高温超导材料
1、氧化物超导体 陶瓷超导材料的共性
一般来说，氧化物超导体都是由钙钛矿型结构派生出来的，
称之为有缺陷的钙钛矿型化合物。
钙钛矿结构一般具有理想配比的化学式 ABO3，其中 A 代表具
有较大离子半径的阳离子， B 代表半径较小的过渡金属阳离 子， A 离子和 B 离子的价态之和是 6 ，以保持电中性。
基本电阻型超导限流器
限流过程
高温超导故障限流器
高温超导故障限流器有许多优点，比如说：
动作速度快，可有效减小故障电流，具有较 低的额定损耗，集检测、转换、限制于一体， 是一种可靠性较高的静态限流器，是一种 “超级保险丝”；同时由于其结构简单、体 积较小、造价低、反应和回复速度快，因而 具有广阔的应用前景。
1、高温超导体电流引线 在给低温环境下工作的超导磁体和电力设备供电时，由 低温到高温之间的电流引线会消耗许多液氦，一直是工程应 用中的一个难题。高温超导体由于Tc高，热导率低，作为由 低温区到高温区的过渡，可以在超导态下给磁体供电，从而 把热漏减少到了极小的程度。目前用作电流引线的材料主要 有Bi-2212及Bi-2223的棒、管和带材、以及熔化法YBCO棒材 。根据应用的环境不同，引线的临界电流在1000-5000A之间 。目前电流引线已成功地用于微型致冷机冷却的NbTi及Nb3Sn 磁体系统，第一次实现了不需用液氦的超导磁体应用。
• 所有铜氧配位多面体的相互连接只能采取共顶点的形式，而不
能共梭或共面；
• 所有已知氧化物超导体的对称性仅限于四方或正交晶系，至今
尚未发现存在于低级晶系中的氧化物超导体；
• 氧含量和分布对氧化物超导体源自结构和超导电性都具有重要影响。
陶瓷超导材料的共性
从性能上来说，共同特点有—— • 临界超导温度和临界磁场强度均很高(Tc约在 90-300K)，但其
第十二讲 超导材料
2∆ 0 / κTc = 3.52
3.52称为BCS理论的能隙系数。BCS理论是弱耦合理论，后来进一步发 展形成强耦合理论。
ＲＶＢ理论
共振价键（RVB）理论：代表派人物是P. W. Anderson。早在1987年初， Anderson 就提出了以共振价键理论（resonating-valence-bond简称RVB） 取代传统的费米液体理论，解释刚刚发现不久的高温超导铜氧化物。由RVB 发展而来的Luttinger液体理论可以同时兼顾反铁磁绝缘相和超导相，对大 半个电子相图给出独特的解释。该理论认为，二维CuO2面的物理本质同一 维反铁磁链一样，费米液体图象不再适用，且低能激发态时自旋自由度和 电荷自由度分离，分别为带电荷而无自旋的空穴和带1/2自旋而不带电荷的 自旋子。它圆满地解释了Y-123的ρ(T), RH(T) 和cotH(T)行为，特别是改 变氧含量，Co替代Cu（1），Ni和Zn替代Cu（2）后的一系列变化。 2002年，Nobel奖得主Laughlin提出Gossamer超导理论，指出单带模型 (Hubbard和 t-J)不能是高温超导理论的出发点，并引发了RVB理论研究的 复苏。2003年11月，Anderson提出RVB-Plain Vanilla超导理论，依靠有效 单带模型及RVB函数的变分计算，给出了超导态的相图，并把Gossamer的理 论包容在内，紧接着Bell实验室的Varma全面地分析了RVB-Plain Vanilla 超导理论，指出其理论上的不适当和与大量实验结果的矛盾。关于高温超 导机制的研究仍在积极进行中，揭开其“庐山真面目”尚需时日。
*La系超导体
La2-xAxCuO4+δ (la-0201) 为四 方晶系，在室温x>0.05时空间 群I4/mmm，晶格参数 a=3.8Å,c=13.2 Å其母体结构为 La2Cu04结构（n=1,R-P）,钙钛 矿结构单元LaCuO3以a/2+b/2的 位移方式堆叠形成这种结构。 该结构也可看成是IL(CuO2)和 RS(La2O2)交错排列形成。
3.52称为BCS理论的能隙系数。BCS理论是弱耦合理论，后来进一步发 展形成强耦合理论。
ＲＶＢ理论
共振价键（RVB）理论：代表派人物是P. W. Anderson。早在1987年初， Anderson 就提出了以共振价键理论（resonating-valence-bond简称RVB） 取代传统的费米液体理论，解释刚刚发现不久的高温超导铜氧化物。由RVB 发展而来的Luttinger液体理论可以同时兼顾反铁磁绝缘相和超导相，对大 半个电子相图给出独特的解释。该理论认为，二维CuO2面的物理本质同一 维反铁磁链一样，费米液体图象不再适用，且低能激发态时自旋自由度和 电荷自由度分离，分别为带电荷而无自旋的空穴和带1/2自旋而不带电荷的 自旋子。它圆满地解释了Y-123的ρ(T), RH(T) 和cotH(T)行为，特别是改 变氧含量，Co替代Cu（1），Ni和Zn替代Cu（2）后的一系列变化。 2002年，Nobel奖得主Laughlin提出Gossamer超导理论，指出单带模型 (Hubbard和 t-J)不能是高温超导理论的出发点，并引发了RVB理论研究的 复苏。2003年11月，Anderson提出RVB-Plain Vanilla超导理论，依靠有效 单带模型及RVB函数的变分计算，给出了超导态的相图，并把Gossamer的理 论包容在内，紧接着Bell实验室的Varma全面地分析了RVB-Plain Vanilla 超导理论，指出其理论上的不适当和与大量实验结果的矛盾。关于高温超 导机制的研究仍在积极进行中，揭开其“庐山真面目”尚需时日。
*La系超导体
La2-xAxCuO4+δ (la-0201) 为四 方晶系，在室温x>0.05时空间 群I4/mmm，晶格参数 a=3.8Å,c=13.2 Å其母体结构为 La2Cu04结构（n=1,R-P）,钙钛 矿结构单元LaCuO3以a/2+b/2的 位移方式堆叠形成这种结构。 该结构也可看成是IL(CuO2)和 RS(La2O2)交错排列形成。
第三章 超导材料 ppt课件
水银电阻随温度的变化
几个概念： 超导电性：低温下失去电阻的性质； 超导体：具有超导电性的物质。
临界温度（Tc）：电阻消失时的温度，即从正常态转变为超导态时的温度； 超导态：超导体在超低温下电阻为零的状态； 正常态：当温度较高，电阻不为零的状态。
3-2 超导材料的发展历史
液氮温度（77K） 液氢温度（20K）
B=0 H
as
迈斯纳效应和零电阻现象是实验上判定一个材料是否为超导体的两大要素。 超导体的定义：具有在一定的低温下呈现出电阻等于零及排斥磁力线性质的材料。
2.1 穿透深度 在外磁场中的超导体，从体外到超导体内，磁感应强度不会突然降为零，而是 逐渐减小为零：
B B0
B xB 0ex -x p
2. 临界磁场强度Hc
在小于Tc的一定温度下，外加磁场强度大于某一特定值Hc时，超导体的 超导态被破坏，转变为正常态，Hc被称为临界磁场强度。
临界磁场是温度的函数，记为Hc（T） ；
不同的超导体，它们的Hc（T）曲线 尽管有差异，但都非常相似：
T=0K：Hc最大； T=Tc：Hc=0; 0 < T < Tc：Hc（T）随温度升高而减小。
1. 建立BCS理论的实验基础
1）超导相变前后晶体结构不变-- 超导相变是电子态相变 超导相变不影响晶格点阵的结构和晶格振动， 超导体发生正常态 — 超导态相变前后，晶格结构不发生变化。
Tl2Ba2Ca2Cu3O10在150K、13K的中子粉末衍射谱，Tc约为125K。
但这并不表示超导相变与晶体点阵结构和振动无关!
穿透深度又定义为：超导体中电流流动的表面层厚度。
元素
In Sa Hg
Pb Tl Cd Al
0 （ cm 10-6 ）
几个概念： 超导电性：低温下失去电阻的性质； 超导体：具有超导电性的物质。
临界温度（Tc）：电阻消失时的温度，即从正常态转变为超导态时的温度； 超导态：超导体在超低温下电阻为零的状态； 正常态：当温度较高，电阻不为零的状态。
3-2 超导材料的发展历史
液氮温度（77K） 液氢温度（20K）
B=0 H
as
迈斯纳效应和零电阻现象是实验上判定一个材料是否为超导体的两大要素。 超导体的定义：具有在一定的低温下呈现出电阻等于零及排斥磁力线性质的材料。
2.1 穿透深度 在外磁场中的超导体，从体外到超导体内，磁感应强度不会突然降为零，而是 逐渐减小为零：
B B0
B xB 0ex -x p
2. 临界磁场强度Hc
在小于Tc的一定温度下，外加磁场强度大于某一特定值Hc时，超导体的 超导态被破坏，转变为正常态，Hc被称为临界磁场强度。
临界磁场是温度的函数，记为Hc（T） ；
不同的超导体，它们的Hc（T）曲线 尽管有差异，但都非常相似：
T=0K：Hc最大； T=Tc：Hc=0; 0 < T < Tc：Hc（T）随温度升高而减小。
1. 建立BCS理论的实验基础
1）超导相变前后晶体结构不变-- 超导相变是电子态相变 超导相变不影响晶格点阵的结构和晶格振动， 超导体发生正常态 — 超导态相变前后，晶格结构不发生变化。
Tl2Ba2Ca2Cu3O10在150K、13K的中子粉末衍射谱，Tc约为125K。
但这并不表示超导相变与晶体点阵结构和振动无关!
穿透深度又定义为：超导体中电流流动的表面层厚度。
元素
In Sa Hg
Pb Tl Cd Al
0 （ cm 10-6 ）
高温超导材料
微型元件量产
年后微型元件量产迅速发展起来, 从1990年后微型元件量产迅速发展起来,目前,生产中多用 年后微型元件量产迅速发展起来 目前, 电脑控制,可自动,大批量生产. 电脑控制,可自动,大批量生产. 德国某陶瓷材料研究中心( 德国某陶瓷材料研究中心(Ceramic Laboratory at the Institute for Materials Research at the Research Centre in Karlsruhe)建立了微装配系统,能满足传送,装配,测量, )建立了微装配系统,能满足传送,装配,测量, 调试等工序,其中一个主要部件工具变换系统,包含多个工位, 调试等工序,其中一个主要部件工具变换系统,包含多个工位, 其压电平台可覆盖100 m×100 m,分辨率达 其压电平台可覆盖 × ,分辨率达1nm.日本也利用 . 压电瓷驱动器,制出精密定位系统及显微滑座,分辨率25nm,定 压电瓷驱动器,制出精密定位系统及显微滑座,分辨率 , 位误差小于0.2 m. 位误差小于 . 国际上已经发展出一些结构部件,如显微光学,显微驱动, 国际上已经发展出一些结构部件,如显微光学,显微驱动,显 微流动,显微医疗等以及微型泵,微混合器,吸附器, 微流动,显微医疗等以及微型泵,微混合器,吸附器,微型反应 器等,并实现连续生产. 器等,并实现连续生产. 微型技术中所用的陶瓷材料主要为压电铁电等功能陶瓷, 微型技术中所用的陶瓷材料主要为压电铁电等功能陶瓷,但也 常涉及氧化铝瓷,氧化锆瓷及羟基磷灰石瓷等. 常涉及氧化铝瓷,氧化锆瓷及羟基磷灰石瓷等.
高温超导基片
目前,我国高温超导技术已奠定了较好的基础,其中, 目前,我国高温超导技术已奠定了较好的基础,其中,钇系 块材料已成功地应用于世界首辆高温超导磁悬浮列车. 块材料已成功地应用于世界首辆高温超导磁悬浮列车.虽然我国 铋系和钇系超导材料实现了批量化生产,但针对不同的应用, 铋系和钇系超导材料实现了批量化生产,但针对不同的应用,其 性能仍需进一步提高. 性能仍需进一步提高.
超导材料第一节
域的温度参数：
1：零电阻温度Tc即在理论材料电阻R＝0时的温度。 2：起始转变温度Tc（on set） 即材料开始偏离常导态线性关系时的温度。 3:转变温度宽度Δ Tc 即取（10~90）％Rn（Rn为起始转变时，材料的电阻值）对应的温度区 域宽度。Δ Tc 越窄，说明材料的品质越好。 4：中间临界温度Tc（mid） 即取1/2Rn对应的温度值对一般常规超导体，这一温度值有时可视为 临界温度。
15
2020/11/26
日本新干线 16
2002年月12月底，中、德两国科技合作，上海磁浮列车示范运行顺利实现了首次试运行，列车悬浮在轨 道上方，和轨道之间没有直接接触，运行阻力大大减小，因此磁悬浮列车的最大时速可以达到500公里。
速度快：超导磁浮可达500至600公里/小时。 能耗低：能耗仅为飞机的1/3至1/2，比汽车小30%。 维修少：磁浮列车没有车轮，其工作属于无磨损运行，维修主要集中在电子技术方面，不需大量体力劳动。 污染小：磁浮列车采用电力驱动，不需燃油，无有害气体排放，环境污染小。
2020/11/26
24
发现超导电性后，翁奈斯即着手用超导体来绕制强磁体，但出乎他的意料，超导体在通上不大的电流后， 超导电性就被破坏了，即超导体具有临界电流Ic。
此后，又发现了超导体的临界磁场Hc。 Ic和Hc也是超导体的基本特性，是实现超导体强电应用的必要条件。
2020/11/26
25
⑴ 临界温度Tc
2020/11/26
5
为了寻找临界温度比较高的没有电阻的材料，世界上无数科学家奋斗了近60年，也没有取得什 么进展。
到1973年，铌锗合金 Tc＝23K。 1986年，钇钡铜氧陶瓷氧化物 Tc＝43K 1987年，Tc＝78.5K，98K美籍华人朱经武，中国赵忠贤在1987年相继发现了在78.5 K 和98 K 时出现超导现象的钇钡铜氧系高温超导材料。
1：零电阻温度Tc即在理论材料电阻R＝0时的温度。 2：起始转变温度Tc（on set） 即材料开始偏离常导态线性关系时的温度。 3:转变温度宽度Δ Tc 即取（10~90）％Rn（Rn为起始转变时，材料的电阻值）对应的温度区 域宽度。Δ Tc 越窄，说明材料的品质越好。 4：中间临界温度Tc（mid） 即取1/2Rn对应的温度值对一般常规超导体，这一温度值有时可视为 临界温度。
15
2020/11/26
日本新干线 16
2002年月12月底，中、德两国科技合作，上海磁浮列车示范运行顺利实现了首次试运行，列车悬浮在轨 道上方，和轨道之间没有直接接触，运行阻力大大减小，因此磁悬浮列车的最大时速可以达到500公里。
速度快：超导磁浮可达500至600公里/小时。 能耗低：能耗仅为飞机的1/3至1/2，比汽车小30%。 维修少：磁浮列车没有车轮，其工作属于无磨损运行，维修主要集中在电子技术方面，不需大量体力劳动。 污染小：磁浮列车采用电力驱动，不需燃油，无有害气体排放，环境污染小。
2020/11/26
24
发现超导电性后，翁奈斯即着手用超导体来绕制强磁体，但出乎他的意料，超导体在通上不大的电流后， 超导电性就被破坏了，即超导体具有临界电流Ic。
此后，又发现了超导体的临界磁场Hc。 Ic和Hc也是超导体的基本特性，是实现超导体强电应用的必要条件。
2020/11/26
25
⑴ 临界温度Tc
2020/11/26
5
为了寻找临界温度比较高的没有电阻的材料，世界上无数科学家奋斗了近60年，也没有取得什 么进展。
到1973年，铌锗合金 Tc＝23K。 1986年，钇钡铜氧陶瓷氧化物 Tc＝43K 1987年，Tc＝78.5K，98K美籍华人朱经武，中国赵忠贤在1987年相继发现了在78.5 K 和98 K 时出现超导现象的钇钡铜氧系高温超导材料。
4超导与高温超导
12
理学院 物理系 陈强
一. 超导了La-Sr-Cu-O中的La， 制成了Tc为7~22K的Bi-Sr-Cu-O超导体。 • 1988年1月，前田(Maeda)小组将Ca掺到Bi-Sr-Cu-O 体系中，看到了80K和110K两个温度上的超导转变， 使得Bi系列这种无稀土超导体的转变温度高于液氮温 度。 • 1988年2月，Tl-Ba-Ca-Cu-O系列氧化物被盛正直和 赫 尔 曼 (Hermann M) 等 人 发 现 ， 使 最 高 温 度 达 到 134K。
二. 超导体的基本物理性质
5. 临界磁场与温度的关系
T 2 T 2 BC B0 1 I C I 0 1 TC TC
图中曲线把B - T平面划分为两个区 域，正常态和超导态，从超导态到 正常态的变化可以通过改变温度来 实现，也可通过改变磁场来实现。 在曲线上，发生从正常态到超导态 的可逆变化。
24
理学院 物理系 陈强
二. 超导体的基本物理性质
结论：
• 超导体不仅仅是电阻为零的理想导体
• 理想导体：经历的过程不同，磁化状态不同 • 超导体：磁场中的行为与加磁场的次序无关 – T >TC 或B >BC，处于正常态，磁场穿透介质 – T <TC或B < BC，呈超导态，磁场被完全排出介质
– 超导体内永远B 0 —— 完全抗磁性
完全被排挤出去，呈现完全抗磁性。人们将这种现 象称之为“迈斯纳效应”。
20
理学院 物理系 陈强
二. 超导体的基本物理性质 设想比较两个实验 ： • 实验一：金属球经历下图过程
• 实验二：改变次序
21
理学院 物理系 陈强
二. 超导体的基本物理性质 • 理想导体内部是否存在磁力线以及如何分布与
理学院 物理系 陈强
一. 超导了La-Sr-Cu-O中的La， 制成了Tc为7~22K的Bi-Sr-Cu-O超导体。 • 1988年1月，前田(Maeda)小组将Ca掺到Bi-Sr-Cu-O 体系中，看到了80K和110K两个温度上的超导转变， 使得Bi系列这种无稀土超导体的转变温度高于液氮温 度。 • 1988年2月，Tl-Ba-Ca-Cu-O系列氧化物被盛正直和 赫 尔 曼 (Hermann M) 等 人 发 现 ， 使 最 高 温 度 达 到 134K。
二. 超导体的基本物理性质
5. 临界磁场与温度的关系
T 2 T 2 BC B0 1 I C I 0 1 TC TC
图中曲线把B - T平面划分为两个区 域，正常态和超导态，从超导态到 正常态的变化可以通过改变温度来 实现，也可通过改变磁场来实现。 在曲线上，发生从正常态到超导态 的可逆变化。
24
理学院 物理系 陈强
二. 超导体的基本物理性质
结论：
• 超导体不仅仅是电阻为零的理想导体
• 理想导体：经历的过程不同，磁化状态不同 • 超导体：磁场中的行为与加磁场的次序无关 – T >TC 或B >BC，处于正常态，磁场穿透介质 – T <TC或B < BC，呈超导态，磁场被完全排出介质
– 超导体内永远B 0 —— 完全抗磁性
完全被排挤出去，呈现完全抗磁性。人们将这种现 象称之为“迈斯纳效应”。
20
理学院 物理系 陈强
二. 超导体的基本物理性质 设想比较两个实验 ： • 实验一：金属球经历下图过程
• 实验二：改变次序
21
理学院 物理系 陈强
二. 超导体的基本物理性质 • 理想导体内部是否存在磁力线以及如何分布与
高温超导实验
几种常用的温度计
温度计 测温属性 定容气体温度计 压强 定压气体温度计 体积 铂电阻\半导体温度计 电阻 热电偶温度计 热电动势 液体温度计 液柱长度
液体温度计测温范围
液体 水银 酒精 甲苯 乙醇 煤油 石油醚
温度测量范围 -30~+300 -80 ~80 -80~+110 -80~+80 0~+300 -120+20
作业:
1.金属低温超导理论中,最基本的出发点是什么? 试用BCS理论及二流体模型解释超导电性. 2.超导磁悬浮是什么效应的直接结果?试描述上 海磁悬浮列车工作原理. 3.超导样品的国际与国内研制近况如何？
超导应用:
一.强电磁方面的应用 (1)磁悬浮列车(2)磁流体发电(3)超导磁分离技术 二.弱电磁方面的应用 (1)超导磁梯度计对人脑功能的研究(2)超导计算 机(3)超导重力仪
构造：1.感温泡.2.压力传 感器.3.连结毛细管(抽真 空:10-1帕,充氦气) 测量原理:PVm=RT
T p (VT0 ) V ' ( 1 1
0T PT 0 P a 0 )T (P P
T
0 P (1 a ) P a T0 P
T0 T T0 T0 0 0 n R 常数 PV ' PV PV ' PV
热电偶温度计
汤姆孙效应：同一种金属，两端有温度差，电子 云在温度不均匀时的热扩散形成电动势。外加电 流，可有吸热与放热 珀耳帖效应：两种不同金属接触面处，由不同金 属的自由电子的数密度不同形成电动势。 塞贝克效应：由两种不同金属连接，两接点在不 同温度下，形成热电偶电动势。
高温超导材料 东北师大 许冬
（三）、HTS薄膜
不其他类型高温超导体（HTSC) 相比，Y系薄膜的制备要容易一 些。在所有高温超导体中， YBCO薄膜叐到了更多的重视。 YBCO薄膜的制备斱法分为原位 法和后热处理斱法。原位法主要 包括物理沉积斱法，还包括一些 化学沉积斱法如CVD法、 MOCVD法等。
三、HTS材料的应用
（一）、HTS在强电领域中的应用 1、电力能源 超导电力技术及其应用可大大提高电网的稳定性和可靠性，改善供电品 质，幵提高电网输电能力，降低网络损耗。
高温超导材料的发展及应用
东北师范大学化学学院 1231410028 许冬
什么是高温超导材料？ 1986年以前，超导材料的Tc都太低，被称为低温超导 体。高温超导（HTS）材料是相对于低温超导体而言 的，没有一个绝对的温度划分。 因主要是氧化物材料，故又称高温氧化物超导材料。
一、高温超导体的収现简史
谢谢观赏
WPS Office
Make Presentation much more fun
@WPS官方微博
@kingsoftwps
3、生物医学
（1）超导核磁共振成像装置。 （2）超导核磁共振波谱议。 （3）超导π介子収生器。 此外，利用超导强磁体引导磁导管在 体内进行肿瘤的手术治疗，具有丌必 进行深部外科切除等明显的优点。由 超导磁体产生的强磁场来获得大量的 磁化水应用于农业和医疗，可以促进 农作物生长和新陈代谢及家畜的生长 収育、提高存活率和防治疾病，还可 用于人体很多疾病的治疗。
2、第二代HTS带材
人们把氧化钇钡铜超导带材称为第二代HTS带材。到目前为止，已经利用复合技术制 备出了氧化钇钡铜涂层导体。RABiTS/MOD（轧制辅助双轴织构基带/金属有机沉积)在 价格和性能上来说是最有吸引力的制备斱法之一。用RABiTS/MOD法生产的氧化钇钡 铜涂层导体，是有多层氧缓冲层的Ni合金基底层和金属有机沉降得到的氧化钇钡铜层 的“三明治”结构，一般由柔性金属基带(如Ni基带)、防扩散过渡层、氧化钇钡铜超导 膜和保护层(如Ag膜)等组成.它的制备过程如下:首先把Ag或金属合金轧制成50~70μm 厚1cm宽的带，然后再结晶形成氧化钇钡铜的母体，在卷绕过程中进行外延层的沉降， 在O2/H2O/N2环境下转化成外延的YBa2Cu3O7-x膜，最后在顶层生成Ag保护膜。
高温超导材料
高温超导材料
材料工程 樊世敏
哈利路亚悬浮山
• 现实中，人们发现水具有一定的抗磁性，处于 强磁场中的生物如青蛙、老鼠等都可以实现常 规磁悬浮。若要实现更强的磁悬浮，就必须借 助完全抗磁的超导体。
目录
一、什么是超导 二、超导材料两大特性 三、高温超导材料的发展史 四、高温超导材料 五、高温超导材料的应用 六、高温超导体的下一目标
度 Tc（77K）以上、电阻接近零的超导材 料。因为目前发现的主要是氧化物材料， 故又称高温氧化物超导材料。
三、高温超导材料的发展史
四、高温超导材料
1、铋系高温超导体(BSCCO)
作为第一代高温超导材料，铋Байду номын сангаас高温超导体 主要有三种:Bi2Sr2CuO6、Bi2Sr2CaCu2O8和 Bi2Sr2Ca2Cu3O10。 其主要特点是具有优良的可加工性，并且在 超导强电领域占有重要位置。但铋系材料的 实用临界电流密度较低，并且在77K的应用磁 场也很低
一、什么是超导体
按照电阻率随温度变化的不同行为，介质
材料可以划分为：绝缘体、半导体、导体和超 导体。超导体指的是某些材料降至特定温度以 下时，电阻率降为零（零电阻效应），同时外 磁场磁力线全部排出体外（完全抗磁性）的一
种宏观电磁现象。
二、超导材料两大特性
定义：
高温超导材料一般是指临界温度在绝对温
2、钇系高温超导体(YBCO)
• 较之第一代铋系高温超导带材，第二代 钇系带材具有以下优点: • ( 1) 较高的不可逆场 • ( 2) 强磁场下较强的载流能力 • ( 3) 较低的工业成本 • ( 4) 更好的机械性能
3 、二硼化镁(MgB2)
二硼化镁是常规超导体中临界温度最高的 （39K），具有较高的临界电流密度。 一般构成氧化物高温超导体的化学元素昂 贵，合成的超导材料脆性大，难以加工成 线材，而硼和镁的价格低廉，且容易制成 线材。
材料工程 樊世敏
哈利路亚悬浮山
• 现实中，人们发现水具有一定的抗磁性，处于 强磁场中的生物如青蛙、老鼠等都可以实现常 规磁悬浮。若要实现更强的磁悬浮，就必须借 助完全抗磁的超导体。
目录
一、什么是超导 二、超导材料两大特性 三、高温超导材料的发展史 四、高温超导材料 五、高温超导材料的应用 六、高温超导体的下一目标
度 Tc（77K）以上、电阻接近零的超导材 料。因为目前发现的主要是氧化物材料， 故又称高温氧化物超导材料。
三、高温超导材料的发展史
四、高温超导材料
1、铋系高温超导体(BSCCO)
作为第一代高温超导材料，铋Байду номын сангаас高温超导体 主要有三种:Bi2Sr2CuO6、Bi2Sr2CaCu2O8和 Bi2Sr2Ca2Cu3O10。 其主要特点是具有优良的可加工性，并且在 超导强电领域占有重要位置。但铋系材料的 实用临界电流密度较低，并且在77K的应用磁 场也很低
一、什么是超导体
按照电阻率随温度变化的不同行为，介质
材料可以划分为：绝缘体、半导体、导体和超 导体。超导体指的是某些材料降至特定温度以 下时，电阻率降为零（零电阻效应），同时外 磁场磁力线全部排出体外（完全抗磁性）的一
种宏观电磁现象。
二、超导材料两大特性
定义：
高温超导材料一般是指临界温度在绝对温
2、钇系高温超导体(YBCO)
• 较之第一代铋系高温超导带材，第二代 钇系带材具有以下优点: • ( 1) 较高的不可逆场 • ( 2) 强磁场下较强的载流能力 • ( 3) 较低的工业成本 • ( 4) 更好的机械性能
3 、二硼化镁(MgB2)
二硼化镁是常规超导体中临界温度最高的 （39K），具有较高的临界电流密度。 一般构成氧化物高温超导体的化学元素昂 贵，合成的超导材料脆性大，难以加工成 线材，而硼和镁的价格低廉，且容易制成 线材。
高温超导课件ppt
涨落与关联：涨落与关联是高温超导物理机制中的重 要概念，涨落是指系统中的随机波动，而关联则是指 这些波动之间的相互作用。在高温超导中，涨落与关 联会影响电子的行为，促使它们形成库珀对。
涨落与关联
涨落
涨落是指系统中的随机波动，这些波 动可以影响电子的行为。在高温超导 中，涨落会影响电子的分布和运动状 态，促使它们形成库珀对。
高温超导机理的研究
深入理解高温超导的机理是推动其应用的关键，科研人员正在从微 观角度揭示高温超导的奥秘。
高温超导技术的应用研究
科研人员正在积极探索高温超导材料在不同领域的应用，以推动其 产业化进程。
THANKS
高温超导的特性
总结词
高温超导材料具有高临界温度、高载流能力、低能耗等特性。
详细描述
高温超导材料在临界温度以上表现为正常导体，而在临界温度以下则转变为超导体，实现零电阻状态。由于其高 载流能力，高温超导材料可以传输大电流而不会产生显著的能量损失。此外，由于其低能耗特性，高温超导材料 在电力传输和磁悬浮等领域具有广阔的应用前景。
传输的损耗。
医疗设备
高温超导材料在医疗设备领域也有 广泛应用，如核磁共振成像仪等， 可以提高设备的性能和精度。
交通领域
高温超导材料在交通领域的应用前 景广阔，如磁悬浮列车、高速列车 等，可以提高交通工具的运行速度 和稳定性。
高温超导的研究动态
新型高温超导材料的研发
科研人员正在不断探索新型的高温超导材料，以提高其超导温度 和稳定性。
高温超导课件
目录
• 高温超导简介 • 高温超导的物理机制 • 高温超导材料 • 高温超导的应用前景 • 高温超导的挑战与前景
01
高温超导简介
高温超导的定义
高温超导
制备方法
高温超导体的运用 一.电力：
1.高温超导电缆
高温超导电缆的大规模应用能够极 大地提高电力输电系统的运行效率，降 低运行成本。目前国际上高温超导电缆 的总体发展趋势是研制大容量、低交流 损耗、超长高温超导电缆。据专家估计 ，高温超导电缆最有可能率先实现实用 化和商业化。
超导电缆
2.超导电机
谢谢老师和同学的观看
超导体的特性
零电阻现象：将超导体冷却
到某一临界温度（TC）以下 时电ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ突然降为零的现象称 为超导体的零电阻现象。
完全抗磁性（迈斯纳效应）
超导材料处于超导状态时，只要外加磁场不超过临界磁场，磁力 线就不能透入超导体，超导材料内的磁场大小恒为零。
同位素效应
超导体的临界温度Tc与其同位素质量M有关。M越大 Tc越低，这称为同位素效应。 例如，原子量为199.55的汞同位素，它的Tc是4.18K， 而原子量为203.4的汞同位素，Tc为4.146K 。
超导转变温度的发展简史
从1911年发现超导现象， 到现在已走过了一百年，经过 了各个时代的前辈的发展，超 导体的临界温度迅速提高，尤 其是19世纪80年代。如右图所 示。 2009年10月10日,美国科 学家合成物质 (Tl4Ba)Ba2Ca2Cu7O13+,将 超导温度提高到254K,距离冰 点仅19℃
磁悬浮列车
三.超导计算机
高速计算机要求集成电路芯片上的元件和连接线密集 排列，但密集排列的电路在工作时会发生大量的热，而散 热是超大规模集成电路面临的难题。超导计算机中的超大 规模集成电路，其元件间的互连线用接近零电阻和超微发 热的超导器件来制作，不存在散热问题，同时计算机的运 算速度大大提高。
四.医学领域
超导体(共7张PPT)
而 YBCO具有更为优异的磁场下性能，是真 第二代YBCO高温超导带材：
其中最有实用前途的是铋系、钇系（YBCO）和二硼化镁（MgB2）。 想得到性能优良的高温超导器件就必须有质量很好的薄膜，但由于种种因素使制备高质量高Tc超导薄膜具有相当大的困难。
正的液氮温区下强电应用的超导材料。 研究YBCO超导块材的目标之一是利用它在超导态下的迈斯纳效应及磁通钉扎特性导致的磁悬浮力，应用于超导轴承、贮能以及磁浮列车等。
有较好晶体取向的Bi系线带材,即把Bi（Pb）-Sr-Ca-CuO粉装入金属管（Ag或Ag合金）中进行加工和热处理的
方法。
• B. 第二代YBCO高温超导带材：
由于第一代Bi系带材 的高成本以及它的一些性能
问题如磁场下临界电流的急剧衰减等，使得基于 想得到性能优良的高温超导器件就必须有质量很好的薄膜，但由于种种因素使制备高质量高T系、钇系（YBCO）和二硼化镁（MgB2）。 其中最有实用前途的是铋系、钇系（YBCO）和二硼化镁（MgB2）。 高温超导体属于非理想的第II类超导体，且具有比低温超导体更高的临界磁场和临界电流，因此是更接近于实用的超导材料
• C. 新型MgB2超导线带材： 2001年1月，日本科学家发现了临界转变温度 为39 K的MgB2超导体。
3.薄膜
• 想得到性能优良的高温超导器件就必须有质量 很好的薄膜，但由于种种因素使制备高质量 高Tc超导薄膜具有相当大的困难。
高质量的外延YBCO薄膜的Tc在90K以上，零 磁场下77K时，临界电流密度已超过 1×106A/cm2，工艺已基本成熟，目前有了一 批高温超导薄膜电子器件问世。
综合制冷成本和材料成本，MgB2超导体在
20~30 K，低场条件下应用具有明显的价格优势，
其中最有实用前途的是铋系、钇系（YBCO）和二硼化镁（MgB2）。 想得到性能优良的高温超导器件就必须有质量很好的薄膜，但由于种种因素使制备高质量高Tc超导薄膜具有相当大的困难。
正的液氮温区下强电应用的超导材料。 研究YBCO超导块材的目标之一是利用它在超导态下的迈斯纳效应及磁通钉扎特性导致的磁悬浮力，应用于超导轴承、贮能以及磁浮列车等。
有较好晶体取向的Bi系线带材,即把Bi（Pb）-Sr-Ca-CuO粉装入金属管（Ag或Ag合金）中进行加工和热处理的
方法。
• B. 第二代YBCO高温超导带材：
由于第一代Bi系带材 的高成本以及它的一些性能
问题如磁场下临界电流的急剧衰减等，使得基于 想得到性能优良的高温超导器件就必须有质量很好的薄膜，但由于种种因素使制备高质量高T系、钇系（YBCO）和二硼化镁（MgB2）。 其中最有实用前途的是铋系、钇系（YBCO）和二硼化镁（MgB2）。 高温超导体属于非理想的第II类超导体，且具有比低温超导体更高的临界磁场和临界电流，因此是更接近于实用的超导材料
• C. 新型MgB2超导线带材： 2001年1月，日本科学家发现了临界转变温度 为39 K的MgB2超导体。
3.薄膜
• 想得到性能优良的高温超导器件就必须有质量 很好的薄膜，但由于种种因素使制备高质量 高Tc超导薄膜具有相当大的困难。
高质量的外延YBCO薄膜的Tc在90K以上，零 磁场下77K时，临界电流密度已超过 1×106A/cm2，工艺已基本成熟，目前有了一 批高温超导薄膜电子器件问世。
综合制冷成本和材料成本，MgB2超导体在
20~30 K，低场条件下应用具有明显的价格优势，
高温超导材料
一、 高温超 导材料的发
展历史
高温超导材料一般是指临界温度在绝对温度77K以上、电阻接 近零的超导材料，通常可以在廉价的液氮（77K）制冷环境中使用， 主要分为两种：钇钡铜氧（YBCO）和铋锶钙铜氧(BSCCO)。钇钡 铜氧一般用于制备超导薄膜，应用在电子、通信等领域；铋锶钙铜 氧主要用于线材的制造。
线材、带材
超导材料在强电上的应用，要求高温超导体必须被加工成包含有超导体和 一种普通金属的复合多丝线材或带材。但陶瓷高温超导体本身是很脆的，因 此不能被拉制成细的线材。在众多的超导陶瓷线材的制备方法中，铋系陶瓷 粉体银套管轧制法(Ag PIT)是最成熟并且比较理想的方法。而压制出铋系带 材的临界电流密度比通过滚轧技术制备出带材的临界电流密度要高得多。
厚膜
高温超导体厚膜主要用于HTS磁屏蔽、 微波谐振器、天线等。它与薄膜的区 别不仅仅是膜的厚度，还有沉积方式 上的不同。其主要不同点在以下三个 方面：(1)通常，薄膜的沉积需要使用 单晶衬底；(2)沉积出的薄膜相对于衬 底的晶向而言具有一定的取向度；(3) 一般薄膜的制造需要使用真空技术。 获得厚膜的方法有很多：如热解喷涂 和电泳沉积等，而最常用的技术是丝 网印刷和刮浆法，这两种方法在电子 工业中得到了广泛的应用。
能源、保护环境等方面有着重要的现实意义。
运输
磁悬浮列车 随着国民经济的发展， 社会对交通运输的要求越来越高，高 速列车应运而生。与现有的铁路、公 路、水路和航空四种传统运输方式相 比，超导磁悬浮列车具有高速、安全、 噪音低和占地小等优点，是未来理想 的交通工具。
高温超导材料
简介
超导技术是21世纪具有巨大发展潜力和重大战略意义的技术，超导材料具有高载流能力 和低能耗特性，可广泛应用于能源、国防、交通、医疗等领域。由于高温超导体较高的临 界温度，且用于其冷却的液氨价格便宜，操作方便，是具有实用意义的新能源材料。自从 上世纪八十年代发现氧化物超导体以来，全球掀起了研究高温超导电性的热潮。此后，人 们又发现了超导转变温度越来越高的各种系列的高温超导材料，目前汞系超导体的转变温 度已高达 130多K。在基础研究的同时，世界各国在超导材料的产业化研究方面，也投入了 大量的人力物力
超导介绍及应用PPT课件
通量将全部被排出体外，N
磁感应强度恒为零，且 不论对导体是先降温后 加磁场，还是先加磁场 后降温，只要进入超导 状态，超导体就把全部 磁通量排出体外。
S
S
N
注：S表示超导态 N表示正常态
观察迈纳斯效应的磁悬浮试验
在锡盘上放一条永久磁铁，当 温度低于锡的转变温度时，小磁铁 会离开锡盘飘然升起，升至一定距 离后，便悬空不动了，这是由于磁 铁的磁力线不能穿过超导体，在锡 盘感应出持续电流的磁场，与磁铁 之间产生了排斥力，磁体越远离锡 盘，斥力越小，当斥力减弱到与磁 铁的重力相平衡时，就悬浮不动了。
超导体的分类
•
在常压下具有超导电性的元素金属有32种（如图
元素周期表中青色方框所示）,而在高压下或制成薄膜
状时具有超导电性的元素金属有14种（如图元素周期
表中绿色方框所示）
第I类超导体
• 第I类超导体主要包括一些在 常温下具有良好导电性的纯 金属，如铝、锌、镓、鎘、 锡、铟等，该类超导体的溶 点较低、质地较软，亦被称 作“软超导体”。其特征是 由正常态过渡到超导态时没 有中间态，并且具有完全抗 磁性。第I类超导体由于其临 界电流密度和临界磁场较低， 因而没有很好的实用价值。
1987年 J.G.(美) K.A.(美) 发现 新的超导材料
目录
• 一、超导现象的发现 • 二、三个重要的物理参数 • 三、超导体的物理特性 • 四、超导的微观机制(BCS理论) • 五、超导技术的应用 • 六、高温超导体的发现 • 七、超导材料 • 八、结束语
一、超导的发现
1908年，荷兰物理学家昂纳斯首次成功地把 称为“永久气体”的氦液化，因而获得4.2K 的 低温源，为超导发现准备了条件。三年后即1911 年，在测试纯金属电阻率的低温特性时，昂纳斯 又发现，汞的直流电阻在4.2K时突然消失，多次 精密测量表明，汞柱两端压降为零，他认为这时 汞进入了一种以零阻值为特征的新物态，并称为 “超导态”。昂纳斯在1911年12月28日宣布了这 一发现。但此时他还没有看出这一现象的普遍意 义，仅仅当成是有关水银的特殊现象。
磁感应强度恒为零，且 不论对导体是先降温后 加磁场，还是先加磁场 后降温，只要进入超导 状态，超导体就把全部 磁通量排出体外。
S
S
N
注：S表示超导态 N表示正常态
观察迈纳斯效应的磁悬浮试验
在锡盘上放一条永久磁铁，当 温度低于锡的转变温度时，小磁铁 会离开锡盘飘然升起，升至一定距 离后，便悬空不动了，这是由于磁 铁的磁力线不能穿过超导体，在锡 盘感应出持续电流的磁场，与磁铁 之间产生了排斥力，磁体越远离锡 盘，斥力越小，当斥力减弱到与磁 铁的重力相平衡时，就悬浮不动了。
超导体的分类
•
在常压下具有超导电性的元素金属有32种（如图
元素周期表中青色方框所示）,而在高压下或制成薄膜
状时具有超导电性的元素金属有14种（如图元素周期
表中绿色方框所示）
第I类超导体
• 第I类超导体主要包括一些在 常温下具有良好导电性的纯 金属，如铝、锌、镓、鎘、 锡、铟等，该类超导体的溶 点较低、质地较软，亦被称 作“软超导体”。其特征是 由正常态过渡到超导态时没 有中间态，并且具有完全抗 磁性。第I类超导体由于其临 界电流密度和临界磁场较低， 因而没有很好的实用价值。
1987年 J.G.(美) K.A.(美) 发现 新的超导材料
目录
• 一、超导现象的发现 • 二、三个重要的物理参数 • 三、超导体的物理特性 • 四、超导的微观机制(BCS理论) • 五、超导技术的应用 • 六、高温超导体的发现 • 七、超导材料 • 八、结束语
一、超导的发现
1908年，荷兰物理学家昂纳斯首次成功地把 称为“永久气体”的氦液化，因而获得4.2K 的 低温源，为超导发现准备了条件。三年后即1911 年，在测试纯金属电阻率的低温特性时，昂纳斯 又发现，汞的直流电阻在4.2K时突然消失，多次 精密测量表明，汞柱两端压降为零，他认为这时 汞进入了一种以零阻值为特征的新物态，并称为 “超导态”。昂纳斯在1911年12月28日宣布了这 一发现。但此时他还没有看出这一现象的普遍意 义，仅仅当成是有关水银的特殊现象。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
二、高温超导体的研究现状
4.铊系超 导体
5.汞系超 导体
1988年，第三种高温超导体—铊系高温超导体被发 现，铊的主要缺点是有毒，吸入、注射和皮肤接触 都会危害健康，90年代以后，人们才对铊系材料的 超导性能有所了解。铊系超导体是具有高转变温度 的超导材料之一，具有多种工艺制备方法，其中Tl2223相超导体具有最高Tc 值(1215K)。
2.铋系超 导体
铋系超导体是仅次于钇系、第二个研究较为透彻的高 温超导体。
2.铋系超 导体
MgB2 是一种新发现的超导材料，2001 年MgB2 超 导体被日本教授秋光纯发现，其晶体结构简单、原 料成本低，超导转变温度为39K，且没有“晶界弱连 接性”，被认为是应用于20～40K磁场适中条件下的 最佳超导材料。MgB2超导体是近年来超导材料领域 的研究热点之一。
1993 年，人们发现汞系超导体，和铊系超导相同， 汞的毒性同样也影响了HBCCO 的发展。1995年， 名古屋工学院采用溶液纺丝法(Solution spinning)制 备出Hg-1223(HgBa2Ca2Cu3Ox)的超导丝 (Φ250μm)，Tc值达127k，Jc(77k,0T)达103A/cm2， 开辟了汞系超导体的制备新途径。
三、高温超导体的制备技术
3.ห้องสมุดไป่ตู้续工艺
早期大多数的第二代线材是短样，从静态到连续工艺是一个 挑战。必须改进所有材料的质量和工艺环境，控制沉积缓冲层 时对线材的加热，掌握在线的拉力，处理好由于层间不同热收 缩产生应力造成的拱形和卷曲。分解和热处理炉，需用多段炉。
AMSC采用RABiTS／MOD工艺制造的10 m长第二代高温超 导带材的性能最近已达到250 A／cm宽，这是工业规模连续生 产线材的世界纪录，已接近商品化电缆应用的300 A／cm宽的 要求。电缆应用感兴趣的4 mm宽带，最新结果为272 A／cm 宽，几乎相应为100A，采用双面结构会加倍到220 A，刚高于 目前第一代导体达到的性能。更为重要的是这种带材的均匀性 (标准偏差<4％)和4卷连续运行的重复能力。
钉扎的另一个重要作用是改善临界电流密度的磁场角度关系， 根据钉扎缺陷的种类和取向，在不同的磁场方向钉扎不同，使 临界电流密度的磁场角度关系平滑一些，这一重要工作仅仅开 始，可以预计会有大的改进，使得第二代线材可以用在比第一 代更高的温度下。
三、高温超导体的制备技术
2.AMSC的RABiTS／MOD工艺
AMSC进入第二代HTS线材领域是在1995年，目的是在第一 代线材已取得的成绩的基础上，进一步降低超导线材的成本， 提高其性能，以满足随时问推移用户对超导线材的日益增长的 需求。
在LANL，ORNL，斯坦福大学，威斯康星大学和MIT等单位 合作，深入研究了各种工艺之后，AMSC认识到RABiTS／ MOD工艺从成本和性能上综合了基带和超导体加工两方面最 诱人优势，是低成本，规模制备超导线材的理想技术。
姓名：罗 煌 学号：162060025
ppt课件
1
演示内容
一、什么是高温超导材料？ 二、高温超导体的研究现状 三、高温超导体的制备技术
四、发展前景 五、总结
一、什么是高温超导体？
高温超导材料是指具有高临
界的转变温度,并且能在液氮温 度条件下工作的一种超导材料, 这种材料性能非常好,用途非常 广泛。这是一种氧化物材料,氧 化物多是以铜为主要元素,具有 陶瓷的性质。同时,也有不含铜 的高温超导材料,主要是钡钾铋 氧体系。高温超导材料有着其 他普通材料不具有的特性,零电 阻、完全抗磁性、宏观量子效 应这些特殊的性质,使高温超导 材料在生活生产各个领域都得 到了广泛的应用。
研发新的高温超导物质
一、什么是高温超导体？
如果这种新材料预示着新事物的到来，那么这个世界将很 快看到超导体的实际应用，为医学、技术、运输以及能源 等领域带来改善。
耐高温超导体在目前的医疗技术中找到了实际应用，比如 说在诊断测试中使用的磁共振成像（MRI）以及超导量子 干涉装置(SQUIDs)。借助电动力悬浮的磁悬浮列车也依靠 耐高温超导材料进行工作。
三、高温超导体的制备技术
1.超导层的沉积技术
探索超导层的沉积方法的基本考虑是降低大规模生产的成 本，包括：大型工业用激光器的初期成本；管子、窗口、工作 气体和流出物的运行成本；真空系统和HTS靶材成本。
采用MOCVD已制出相当长的线材，性能水平还低于低成 本的MOD技术。采用液相技术进行超导层的涂敷，由于沉积 过程简单，先驱材料利用充分，将先驱物处理成超导态所用炉 子的成本相对低，因此，比气相方法成本低得多。
三、高温超导体的制备技术
4.钉扎作用
强化钉扎是达到高电流密度的关键。通过在高温超导材料中 引入与磁通线直径相近的纳米尺度的缺陷，可得到钉扎，为此 AMSC等单位引人了高密度称作“纳米点”的极细小粒子，弥散 分布，提高了在磁场下的电流密度，还找到了在MOD工艺中 引入纳米点的专有途径。纳米点由纳米尺度的氧化钇或YBCO 体系中非超导组分的夹杂组成。
超导磁悬浮
一、什么是高温超导体？
高温超导材料温度超导体得天独厚
的特性，使它可能在各种领域得到广泛 的应用。但由于早期的超导体存在于液 氦极低温度条件下，极大地限制了超导 材料的应用。人们一直在探索高温超导 体，从1911年到1986年，75年间从水 银的4．2K提高到铌三锗的23．22K， 才提高了19K。 1986年1月，美国国际商用机器公司设 在瑞士苏黎世实验室科学家柏诺兹和缪 勒首先发现钡镧铜氧化物是高温超导体， 将超导温度提高到30K；紧接着，日本 东京大学工学部又将超导温度提高到 37K；12月30日，美国休斯敦大学宣布， 美籍华裔科学家朱经武又将超导温度提 高到40．2K。
二、高温超导体的研究现状
1.钇系 （YBCO）
超导体
在目前已知的各种高温超导体中， Y123(YBa2Cu3O7,YBCO)是研究得最为深入的一种。 YBCO 在92K 左右显示出超导电性，且超导相的比 例极高。YBa2Cu3O7-δ(YBCO)在液氮温区具有高 的临界电流密度（Jc值），在外磁场下具有比Bi系超 导体更好的性能，故其是当前的研究热点之一。